Die in unserem Low Budget Car PC verbauten Sensoren sind, wie der Name es vermuten lässt, relativ preisgünstig. Die Einbauposition sowie die kleine Antenne des GPS Empfängers tragen ebenfalls nicht zur Verbesserung der Positionsangabe bei. Vor allem in urbanen Gebieten, in denen Satelliten durch Bebauung nicht direkt sichtbar sind, bricht die Positionsgenauigkeit prinzipbedingt ein.

Thanks to http://sethoscope.net/heatmap/. Map tiles by Stamen Design, under CC BY 3.0. Data by OpenStreetMap, under CC BY SA.

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Der vom GPS Receiver ermittelte Estimated Position Error (EPE) ist ein Maß für die Ungenauigkeit der Positionsmessung.

Estimated Position Error für die Fahrt

Estimated Position Error für die Fahrt

Bei geringen Geschwindigkeiten (<1km/h) fällt die Positionsstützung über die Geschwindigkeit aus dem Doppler-Effekt auch noch weg, was bei Stillstand des Fahrzeugs zu einer erheblichen Verschlechterung der Positionsgenauigkeit führt.

Messfrequenz

Ein weiteres Problem ist die geringe Messfrequenz des GPS. Eigentlich nur mit 1Hz messend, interpolieren viele Receiver auf 10Hz, was aber für viele Anwendungsfälle (z.B. hochdynamische Messungen mit einem PKW) nicht ausreichend ist. Beschleunigungswerte und Drehraten werden typischerweise mit 50Hz oder 100Hz aufgezeichnet, stehen also wesentlich öfter zur Verfügung als die Ortsinformation.

Die vom Low Budget Car PC gemessenen Fahrdynamikdaten können nun aber genutzt werden, um die Positionsinformation zu stützen.

Fahrdynamikdaten

CTRV-ModelDie vom Low Budget Car PC aufgezeichneten Fahrdynamikdaten können genutzt werden, um die Bewegung des Fahrzeugs zu berechnen.

  • Gierrate \(\dot \psi\)
  • Geschwindigkeit \(v\)
  • Fahrtrichtung \(\psi\)

Diese Daten werden nun mit den Positionsinformationen vom GPS fusioniert. Implementiert wurde ein adaptives Erweitertes Kalman Filter (EKF), welches sich dem Ackermann-Einspurmodell bedient.

Die verbesserte (sowohl zeitlich als auch örtlich) Positionsangabe kann man sich in nachfolgender Abbildung ansehen, welche ein vergrößerter Ausschnitt aus der Messfahrt ist:

Verbesserte Positionsschätzung durch Extended Kalman Filter im Vergleich zur ursprünglichen GPS Messung

Verbesserte Positionsschätzung durch Extended Kalman Filter im Vergleich zur ursprünglichen GPS Messung. Zu sehen auch die wesentlich geringere Abtastung des GPS Signals (10Hz) im Vergleich zur nun vorliegenden Positionsinformation mit 50Hz

Das Filter ist so implementiert, dass es automatisch auf schlechteres Positionssignal reagiert (adaptiv auf EPE) und auch bei Stillstand des Fahrzeugs möglichst keine Bewegungen ausführt (adaptiv auf Geschwindigkeit). Das Ergebnis kann man sich bei einem Rundflug in Google Earth ansehen:

 

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Das Filter steht ab sofort als Zusatzmodul für den Low Budget Car PC zur Verfügung.

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